طراحی برد الکترونیکی
بردهای الکترونیکی یکی از اجزای کلیدی در صنعت به شمار می‌آیند و در بسیاری از حوزه‌ها برای انجام فرآیندهای صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این بردها شامل قطعات الکترونیکی مختلفی هستند که با دقت بالا بر روی آن‌ها نصب می‌شوند. در این مطلب به بررسی مونتاژ برد الکترونیکی، طراحی، و انواع قطعات مورد استفاده در آن خواهیم پرداخت.
طراحی برد الکترونیکی
طراحی بردهای الکترونیکی نیازمند دانش و مهارت بالا است. این فرآیند ظرافت زیادی می‌طلبد و کوچک‌ترین اشتباهی در جای‌گذاری قطعات می‌تواند عملکرد کل سیستم را مختل کند. انتخاب و نصب دقیق قطعات بر روی برد، یکی از اصلی‌ترین مراحل در طراحی موفق بردهای الکترونیکی محسوب می‌شود.
مونتاژ برد الکترونیکی
مونتاژ برد الکترونیکی توسط متخصصین به دو روش دستی و ماشینی انجام می‌شود. این فرآیند بر اساس نوع قطعات و کاربرد برد، به روش‌های مختلفی تقسیم‌بندی می‌شود.
انواع قطعات مورد استفاده در بردها
قطعات به‌کاررفته در بردهای الکترونیکی از نظر طراحی به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
- قطعات SMD
قطعات SMD یا Surface Mount Device، به‌صورت مستقیم روی سطح برد مدار چاپی (PCB) نصب و لحیم می‌شوند. در این روش نیازی به سوراخ کردن برد نیست و از پدهای موجود بر روی سطح برد برای نصب قطعات استفاده می‌شود. این نوع قطعات به دلیل اندازه کوچکتر، سرعت بالای مونتاژ، و کاهش هزینه‌ها، به‌طور گسترده‌ای در بردهای مدرن استفاده می‌شوند. - قطعات DIP یا THT
قطعات DIP که مخفف Dual In-line Pin هستند، پایه‌های مشخصی دارند که از طریق سوراخ‌های برد عبور داده شده و سپس از پشت لحیم می‌شوند. این نوع قطعات به‌دلیل نصب آسان‌تر، بیشتر در آزمایش‌ها و تست‌های ساده کاربرد دارند.
مزایای مونتاژ ترکیبی SMD و DIP
با پیشرفت تکنولوژی و افزایش دقت در طراحی محصولات الکترونیکی، استفاده از ترکیب قطعات SMD و DIP در بردها رایج شده است. این ترکیب امکان افزایش کارایی، کاهش هزینه‌ها، و استفاده بهینه از فضای PCB را فراهم می‌کند.
مزایای قطعات SMD شامل موارد زیر است:
- کاهش هزینه تولید: مونتاژ قطعات SMD نسبت به DIP سریع‌تر بوده و نیاز به نیروی انسانی کمتری دارد.
- صرفه‌جویی در فضا: اندازه کوچک این قطعات اجازه می‌دهد که از دو طرف برد استفاده شود.
- افزایش سرعت مونتاژ: استفاده از تجهیزات خودکار برای نصب این قطعات زمان مونتاژ را کاهش می‌دهد.
در مقابل، قطعات DIP بیشتر برای کاربردهایی که نیاز به تست یا تغییرات مکرر دارند، مناسب هستند.
برای هر یک از روش‌های مونتاژ برد SMD و DIP، فرآیندهای متفاوتی وجود دارد که در صورتی که تصمیم به استفاده از روش ترکیبی گرفته شود، باید تمامی مراحل مرتبط با هر دو روش به طور کامل انجام شوند. انتخاب روش مناسب مونتاژ زمانی که صحبت از تولید انبوه بردهای الکترونیکی به میان می‌آید، یک تصمیم استراتژیک بسیار مهم است و باید با دقت خاصی انجام شود. در این متن، به شرح فرآیند مونتاژ SMD، DIP و ترکیبی پرداخته می‌شود.
1. مونتاژ DIP
مونتاژ برد dip یا “مونتاژ درون حفره‌ای” یکی از شیوه‌های رایج برای نصب قطعات در بردهای الکترونیکی است. در این روش، قطعاتی که پایه‌های آن‌ها به صورت دوطرفه است (DIP)، در حفره‌های موجود در برد مدار چاپی (PCB) قرار می‌گیرند. پس از قرار گرفتن قطعات در این حفره‌ها، پایه‌ها از طرف دیگر برد بیرون آمده و از طریق فرآیند لحیم‌کاری، به برد متصل می‌شوند. در این روش، مراحل مختلفی وجود دارد که به شرح زیر است:
چیدمان قطعات
در این مرحله، که معمولاً به صورت دستی و توسط تکنسین‌های ماهر انجام می‌شود، قطعات بر اساس طرح دقیق PCB در موقعیت‌های مشخص قرار می‌گیرند. برخی قطعات به سادگی در جای خود قرار می‌گیرند، در حالی که قطعاتی مانند LEDها ممکن است نیاز به خم شدن پایه‌ها داشته باشند تا در موقعیت دقیق خود قرار بگیرند. این کار توسط دستگاه‌های خم‌کننده قطعات انجام می‌شود.
لحیم‌کاری قطعات
پس از اتمام چیدمان قطعات، نوبت به لحیم‌کاری می‌رسد. برای این منظور، برد به همراه قطعاتش در داخل وان قلع غوطه ور می‌شود. این وان قلع از یک مخزن قلع ذوب شده تشکیل شده است که برد در آن قرار می‌گیرد تا پایه‌های قطعات به درستی به برد لحیم شوند. قبل از ورود به وان قلع، باید پشت برد با فلاکس تمیز شود تا هیچ آلودگی باقی نماند.
برش قطعات اضافی
پس از اینکه برد از وان قلع خارج شد، باید پایه‌های اضافی که از سطح برد بیرون زده‌اند، برش داده شوند. این کار با استفاده از دستگاه‌های مخصوصی به نام “کف‌بر” انجام می‌شود تا قطعات اضافی به دقت از بین بروند.
کنترل کیفی
برای اطمینان از عملکرد صحیح مونتاژ، بردهای تولید شده به دقت بررسی می‌شوند. ابتدا از نظر بصری، به دقت بررسی می‌شوند تا از صحت لحیم‌کاری و قرارگیری صحیح قطعات اطمینان حاصل شود. سپس، تست‌های دیگری مانند استفاده از تخت میخ پایه فنری انجام می‌شود تا صحت عملکرد مدار بررسی گردد.
2. مونتاژ SMD برد الکترونیکی
مونتاژ SMD روشی است که به صورت تمام‌اتوماتیک و دستگاهی انجام می‌شود. این روش برای تولید بردهای الکترونیکی که نیاز به دقت و ظرافت بالاتری دارند، بسیار مناسب است. در این روش، قطعات SMD با استفاده از دستگاه‌های خاص به نام “Pick & Place” به دقت بر روی برد قرار می‌گیرند. این دستگاه‌ها قادرند قطعات را با سرعت بالا و دقت زیادی قرار دهند، که این ویژگی باعث شده است که این روش برای تولید انبوه بردهای الکترونیکی ایده‌آل باشد.
دستگاه‌های Pick & Place از مکش هوا برای قرار دادن قطعات استفاده می‌کنند. این دستگاه‌ها به سرعت جایگزین روش‌های قدیمی‌تر مانند DIP شده‌اند. برای راه‌اندازی دستگاه‌ها، ابتدا باید برنامه‌ریزی دقیق انجام شود و قطعات مورد نیاز به دستگاه‌ها داده شوند، اما پس از انجام این مراحل، دستگاه با سرعت بسیار بالا عمل می‌کند و تولید بردهای الکترونیکی را به شکل چشمگیری تسریع می‌کند.
در روش SMD، تمامی مراحل به صورت اتوماتیک انجام می‌شود و نیازی به دخالت دستی در فرآیند نصب قطعات نیست. این روش برای تولید انبوه قطعات با تعداد بالا بسیار مناسب است، اما برای تولید تعداد کم، مانند 100 قطعه در روز، استفاده از روش دستی همچنان کارآمدتر است. با پیشرفت تکنولوژی، دستگاه‌های SMD به طور مداوم ارتقاء می‌یابند و به زودی به حالت کاملاً هوشمند و اتوماتیک تبدیل خواهند شد، به طوری که بردها از یک طرف دستگاه وارد و از طرف دیگر به صورت آماده تحویل داده خواهند شد.
پوشش برد با خمیر قلع
در ابتدا، لازم است تا سطح تمام برد با خمیر قلع پوشش داده شود. این خمیر خاکی‌رنگ و چسبناک که شامل ماده‌ای به نام فلاکس است، باید به طور یکنواخت بر روی تمام بخش‌های برد قرار گیرد. به دلیل هزینه بالای این خمیر، استفاده از آن باید با دقت انجام شود تا از اتلاف آن جلوگیری گردد. این عملیات با استفاده از شابلون فلزی انجام می‌شود که در آن قسمت‌هایی که قرار است پایه‌های قطعات در آن‌ها قرار گیرند، به صورت حفره طراحی شده‌اند. این مرحله به “شابلون‌زنی خمیر قلع” معروف است. شابلون‌ها روی سطح برد ثابت شده و سپس خمیر قلع به تمامی بخش‌های آن اعمال می‌شود. برای این کار از کاردک استفاده می‌شود و به طور دقیق باید شابلون در جای خود قرار گیرد، که برای این کار معمولاً از دستگاهی به نام “Stencil Printer” بهره می‌برند.
قرار دادن قطعات روی خمیر
در مرحله بعد، قطعات باید بر روی خمیر قلع و در مکان‌های صحیح خود قرار گیرند. این فرآیند می‌تواند به صورت دستی یا با استفاده از ماشین انجام شود. با وجود اینکه این کار به‌صورت دستی نیز قابل انجام است، اما برای تولید قطعات در تعداد زیاد، استفاده از دستگاه مونتاژ برد الکترونیکی مناسب‌تر است. در این دستگاه، بخش نگهدارنده برد آن را ثابت نگه می‌دارد، در حالی که فیدر قطعات را آماده می‌کند و بازوهای مکانیکی که چندین نازل دارند، قطعات را گرفته و در موقعیت‌های تعیین‌شده روی برد قرار می‌دهند. فرآیند توسط دستگاه به صورت کاملاً اتوماتیک انجام می‌شود، اما پیش از آن، پردازش‌های تصویری برای شناسایی محل دقیق قطعات انجام می‌گیرد.
لحیم‌کاری
برای لحیم‌کاری صحیح، خمیر قلع باید ذوب شود و روغن فلاکس موجود در آن بخار گردد. این عملیات معمولاً با استفاده از کوره‌های مادون قرمز صورت می‌گیرد. این کوره‌ها می‌توانند به دو شکل کمدی یا نوار نقاله‌ای باشند که انتخاب آن‌ها بستگی به تعداد قطعات دارد. دمای کوره‌ها به‌صورت خودکار و طبق برنامه تنظیم می‌شود تا از انبساط، تکان خوردن و ترک‌خوردگی قطعات جلوگیری شود. برای قطعات دوطرفه، ابتدا طرفی که قطعات کمتری دارد در کوره قرار می‌گیرد، سپس طرف دیگر مونتاژ می‌شود. برای جلوگیری از ذوب شدن بخش‌های دیگر، پیشنهاد می‌شود که قبل از وارد کردن قطعه به کوره، طرف اول با چسب پوشانده شود.
بررسی اتصالات
در این مرحله، با استفاده از دستگاه‌های AOI (Automated Optical Inspection) صحت کار خروجی بررسی می‌شود. این دستگاه‌ها برای نظارت بر قطعات در تولید انبوه استفاده می‌شوند، اما برای تعداد کم قطعات، تست نهایی و بررسی‌های بصری به تنهایی کافی است.
شستشوی برد
در این مرحله، بردها باید با استفاده از آب بدون یون شستشو داده شوند تا هر گونه باقی‌مانده از خمیر قلع یا روغن فلاکس پاک شود. این مواد می‌توانند در درازمدت باعث ضعف در اتصالات لحیم شوند.
بسته‌بندی
آخرین مرحله مربوط به بسته‌بندی محصول نهایی است. در این مرحله باید از پلاستیک‌های ضد استاتیک استفاده کرد، چرا که پلاستیک‌های معمولی ممکن است باعث تولید الکتریسیته ساکن شوند که به برد و قطعات آن آسیب می‌زند.
مونتاژ ترکیبی بردهای الکترونیکی
در مونتاژ ترکیبی، همانطور که از نامش پیداست، هر دو روش مونتاژ DIP و SMD به‌طور همزمان بر روی یک برد انجام می‌شود. این روش دقت و کیفیت طراحی برد را افزایش می‌دهد و تمام مراحل هر دو نوع مونتاژ در این فرآیند به کار گرفته می‌شود.
مزایای مونتاژ ترکیبی
این روش به دلیل خودکار بودن و استفاده از دستگاه‌های مدرن، سرعت بالایی دارد و برای تولید انبوه مقرون به‌صرفه است. اما مونتاژ DIP با وجود زمان بیشتر، لحیم‌کاری مقاوم‌تری را ایجاد می‌کند که موجب اعتماد بیشتر می‌شود. در روش DIP نیازی به شابلون یا استنسیل نیست و در تولید کم‌تیراژ مقرون به‌صرفه‌تر است. علاوه بر این، برخی قطعات ممکن است در دماهای بالا دچار آسیب شوند که در این موارد بهتر است از روش دستی یا DIP استفاده گردد. برخی قطعات که شکل نامتعارفی دارند و مرکز ثقل مشخصی ندارند، ممکن است در مونتاژ SMD دچار مشکل شوند که در این صورت، استفاده از مونتاژ دستی توصیه می‌شود.
با پیشرفت‌های فناوری، قطعات الکترونیکی به طور فزاینده‌ای پیچیده‌تر می‌شوند. از آنجا که بردها کوچکتر و توان آن‌ها بیشتر می‌شود، ترکیب قطعات DIP و SMD به یک ضرورت تبدیل شده است. در حال حاضر، صنایع مختلفی مانند نیروگاه‌های برق، ارتباطات از راه دور، رایانه‌ها و خودروسازی از فناوری بردهای الکترونیکی SMD بهره می‌برند.
برای سفارش مونتاژ برد الکترونیک می توانید به سایت امیران الکترونیک مراجعه کنید.
